專利名稱：半導(dǎo)體器件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及III族氮化物半導(dǎo)體器件及其制造方法，具體來說，涉及基于寬禁帶 III族氮化物半導(dǎo)體的場效應(yīng)晶體管在射頻領(lǐng)域的應(yīng)用，其有利于器件同時具有較高的擊穿電壓和較高的頻率響應(yīng)，特別適用于高頻微波應(yīng)用。
背景技術(shù)：
第三代半導(dǎo)體氮化鎵(GaN)的介質(zhì)擊穿電場遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于第一代半導(dǎo)體硅(Si)或第二代半導(dǎo)體砷化鎵(GaAs)，高達(dá)3MV/cm，使其電子器件能承受很高的電壓。同時，氮化鎵可以與其他鎵類化合物半導(dǎo)體(III族氮化物半導(dǎo)體)形成異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。由于III族氮化物半導(dǎo)體具有強烈的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，在異質(zhì)結(jié)的界面附近，可以形成很高電子濃度的二維電子氣ODEG)溝道。這種異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)也有效的降低了電離雜質(zhì)散射，因此溝道內(nèi)的電子遷移率大大提升。在此異質(zhì)結(jié)基礎(chǔ)上制成的氮化鎵高電子遷移率晶體管(HEMT)能在高頻率導(dǎo)通高電流，并具有很低的導(dǎo)通電阻。這些特性使氮化鎵HEMT特別適用于制造高頻的大功率射頻器件和高耐壓大電流的開關(guān)器件。另外，氮化鎵是寬禁帶半導(dǎo)體，能工作在較高的溫度。硅器件在大功率工作環(huán)境下往往需要額外的降溫器件來確保其正常工作。氮化鎵無須這樣，或者對降溫要求較低。因此氮化鎵射頻功率器件有利于節(jié)省空間和成本。常規(guī)的氮化鎵HEMT的器件結(jié)構(gòu)為平面結(jié)構(gòu)。其截面圖如圖1所示。底層是襯底 (或基板)11，襯底11上沉積有成核層12，半導(dǎo)體層13和隔離層14。二維電子氣溝道在半導(dǎo)體層13和隔離層14的界面附近形成。隔離層14上方沉積有鈍化層15，可用于降低高頻下的電流崩塌效應(yīng)。源極16和漏極17與二維電子氣相通，可以控制溝道內(nèi)電子的流向。 柵極18位于源極16和漏極17之間，用于控制溝道內(nèi)電子的數(shù)目，進(jìn)而控制電流的大小。在AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)HEMT中，材料表面存在高密度的電子陷阱。電子陷阱的反應(yīng)速度慢，從而引起電流崩塌效應(yīng)。為改善電流崩塌效應(yīng)，氮化鎵HEMT —般采用SiN等鈍化材料(鈍化層1 覆蓋器件表面的鈍化工藝(圖1)。為了抑制電流崩塌和提高器件擊穿電壓，氮化鎵器件通常采用場板結(jié)構(gòu)。氮化鎵器件的柵極為T型柵或者Γ型柵。T型柵的柵帽(即，柵極的上部)20同時也是晶體管的場板，可以使柵極附近電場均勻分布，降低峰值電場。這種結(jié)構(gòu)在降低電流崩塌效應(yīng)的同時，也有效的提高了器件的擊穿電壓，因此被廣泛應(yīng)用于氮化鎵射頻電子器件。圖1所示的T型柵結(jié)構(gòu)可以分為柵腳(即，柵極的下部)18和柵帽20兩部分。柵腳18的長度是器件的實際柵長，決定器件的本征電流增益截止頻率。柵帽20的長度通常被設(shè)計得較大，以便有效降低柵極電阻，提高器件的功率增益截止頻率。但是這種結(jié)構(gòu)不適應(yīng)于特別高頻的器件，如毫米波器件，其要求非常小的柵長(< 200nm)，以使本征電容非常小，而圖1所示的常規(guī)場板結(jié)構(gòu)引入的寄生電容過大，接近毫米波器件的本征電容，因此器件的截止頻率由于引進(jìn)該場板結(jié)構(gòu)而大大降低。器件在高工作頻率下(如毫米波段)功率增益很低，因此功率附加效率大大降低，同時器件工作電路的匹配難度大大加大。
一種常見的解決方案是采用空氣隔離的T型柵結(jié)構(gòu)(圖2)。T型柵的柵帽20，不與表面鈍化層15(例如，SiN)直接接觸，柵帽20與鈍化層15之間由空氣隔離。由于空氣的介電常數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于常用的表面鈍化層的介電常數(shù)，因此寄生電容大大降低，這種情況下器件的頻率響應(yīng)大大提高。實驗上也證明了這種采用空氣隔離T型柵的方式可以顯著的增加器件的截止頻率。雖然這種由空氣隔離的T型柵結(jié)構(gòu)(圖2)提高了器件的頻率響應(yīng)。但T型柵的柵帽(即，場板)與二維電子氣溝道的距離過遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)器件電場的能力大大降低。因此該種結(jié)構(gòu)在抑制電流崩塌和增強器件擊穿電壓方面的作用大大降低。另一種解決方案是采用Γ型的柵極結(jié)構(gòu)(圖3)。在T型柵結(jié)構(gòu)(圖1和2)中， 靠近漏極的場板有利于降低柵漏之間的峰值電場，靠近源極的場板有利于抑制柵源之間的峰值電場。在實際應(yīng)用中，器件柵漏之間的電場要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于柵源之間的電場。因此靠近漏極的場板更加有效和必要。同時，電流崩塌主要是柵漏之間的電子在高電場下陷入表面陷阱引起的。實驗也證明對于電流崩塌效應(yīng)起主要抑制作用的是靠近漏極的場板，而非靠近源極的場板。因此，可以在T型柵結(jié)構(gòu)中去除靠近源極的場板，形成Γ型的柵極結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)既消除了靠近源極的場板引入的寄生電容，同時不會影響器件擊穿電壓和電流崩塌效應(yīng)。 但是這種解決方案具有兩個缺點。第一，柵帽20要與柵腳18在靠近源極的位置對準(zhǔn)，在工藝上不易于實現(xiàn)。第二，靠近漏極的場板的大小決定了柵帽的長度，也決定了柵極電阻。如果要提高器件的功率增益截止頻率，需要降低柵極電阻，也就是增加?xùn)琶钡拈L度。 但是柵帽的長度增加會引入過大的寄生電容，寄生電容的增加會導(dǎo)致截止頻率的降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，提供了半導(dǎo)體器件及其制造方法， 具體提供了以下技術(shù)方案。[第1方案]本發(fā)明的第1方案提供了一種半導(dǎo)體器件，包括在襯底上的半導(dǎo)體層；在上述半導(dǎo)體層上的隔離層；在上述隔離層上的鈍化層；與上述半導(dǎo)體層電氣相通的源極和漏極； 以及在上述隔離層上的柵極；其中，上述柵極包括下部、中部和上部，上述下部和/或上述中部構(gòu)成場板結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的第1方案的半導(dǎo)體器件，柵極為包括下部、中部和上部的多段式結(jié)構(gòu)，并由下部和/或中部構(gòu)成場板結(jié)構(gòu)。應(yīng)用該多段式的柵極結(jié)構(gòu)，便可以獨立地設(shè)計柵極的下部、中部和上部，由此可以把本征電流增益截止頻率、電流崩塌、寄生電容和柵極電阻的因素分別獨立考慮并最優(yōu)化，從而提高器件性能。[第2方案]根據(jù)上述第1方案的半導(dǎo)體器件，其中，上述上部與上述鈍化層分離。根據(jù)本發(fā)明的第2方案的半導(dǎo)體器件，除了具有上述第1方案的技術(shù)效果，還具有以下優(yōu)點。在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，由于柵極的上部與鈍化層隔離，因此大大降低由柵極上部引入的寄生電容。[第3方案]
根據(jù)上述第1方案或第2方案的半導(dǎo)體器件，其中，上述場板結(jié)構(gòu)由上述下部和上述中部構(gòu)成并靠近上述漏極側(cè)形成。根據(jù)本發(fā)明的第3方案的半導(dǎo)體器件，除了具有上述第1方案和第2方案的技術(shù)效果，還具有以下優(yōu)點。在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，柵極的下部和中部可以形成Γ型柵結(jié)構(gòu)，即Γ型場板結(jié)構(gòu)。因為靠近源極的場板對于提高器件擊穿電壓和抑制電流崩塌效應(yīng)不顯著，反而會增加器件的寄生電容，所以Γ型場板結(jié)構(gòu)去除了靠近源極的場板，在提高器件的擊穿電壓和抑制器件的電流崩塌效應(yīng)的同時，可以提高器件的頻率響應(yīng)。[第4方案]根據(jù)上述第1方案至第3方案中任何一個的半導(dǎo)體器件，其中，上述下部靠近上述隔離層的長度小于靠近上述中部的長度。根據(jù)本發(fā)明的第4方案的半導(dǎo)體器件，除了具有上述第1方案至第3方案的技術(shù)效果，還具有以下優(yōu)點。在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，柵極的下部還可以自身形成斜場版，由此可以抑制電流崩塌和提高器件擊穿電壓。[第5方案]根據(jù)上述第1方案至第4方案中任何一個的半導(dǎo)體器件，其中，上述上部的長度大于上述中部和上述下部的長度。根據(jù)本發(fā)明的第5方案的半導(dǎo)體器件，除了具有上述第1方案至第4方案的技術(shù)效果，還具有以下優(yōu)點。在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，由于柵極的上部決定柵極電阻，而柵極中部的長度變化不影響器件的柵極電阻，因此，柵極的上部的長度大于柵極的下部和中部的長度，可以有效降低柵極電阻。[第6方案]根據(jù)上述第1方案至第5方案中任何一個的半導(dǎo)體器件，其中，上述柵極包括絕緣柵結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的第6方案的半導(dǎo)體器件，除了具有上述第1方案至第5方案的技術(shù)效果，還具有以下優(yōu)點。在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，由于隔離層很薄，電子容易從柵極金屬隧穿進(jìn)入溝道中，形成較大的柵極漏電流?；诘?方案的半導(dǎo)體器件，由于采用絕緣柵結(jié)構(gòu)，絕緣柵在柵極金屬與二維電子氣溝道之間形成勢壘，能夠有效降低電子的隧穿幾率，降低器件的漏電流，提高器件的擊穿電壓。[第7方案]根據(jù)上述第1方案至第6方案中任何一個的半導(dǎo)體器件，還包括浮柵結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的第7方案的半導(dǎo)體器件，除了具有上述第1方案至第6方案的技術(shù)效果，還具有以下優(yōu)點。在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，在柵極附近還可以形成浮柵結(jié)構(gòu)，可以使柵極附近電場均勻分布，由此降低峰值電場，同樣可以降低電流崩塌效應(yīng)，并提高器件的擊穿電壓。[第8方案]根據(jù)上述第1方案至第7方案中任何一個的半導(dǎo)體器件，其中，上述柵極還包括在上述上部上的至少一個附加的部分。根據(jù)本發(fā)明的第8方案的半導(dǎo)體器件，除了具有上述第1方案至第7方案的技術(shù)效果，還具有以下優(yōu)點。在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，柵極的上部分為兩個部分，形成由下到上逐漸變大的遞進(jìn)式結(jié)構(gòu)，這更有利于降低器件寄生電容和柵極電阻，并避免在柵極的下部過細(xì)的情形下出現(xiàn)塌陷。[第9方案]根據(jù)上述第1方案至第8方案中任何一個的半導(dǎo)體器件，其中，上述半導(dǎo)體層和上述隔離層包括III族氮化物半導(dǎo)體材料，其中III價原子包括銦、鋁、鎵或其組合。[第10 方案]根據(jù)上述第1方案至第9方案中任何一個的半導(dǎo)體器件，其中，所述鈍化層包括晶體材料和/或非晶體材料。[第11 方案]本發(fā)明的第11方案提供了一種用于制造半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟在襯底上形成半導(dǎo)體層；在上述半導(dǎo)體層上形成隔離層；在上述隔離層上形成鈍化層；形成與上述半導(dǎo)體層電氣相通的源極和漏極；以及在上述隔離層上形成柵極，其中，上述柵極包括下部、中部和上部，上述下部和/或上述中部構(gòu)成場板結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的第11方案的方法，將柵極形成為包括下部、中部和上部的多段式結(jié)構(gòu)，并由下部和/或中部構(gòu)成場板結(jié)構(gòu)。通過形成該多段式的柵極結(jié)構(gòu)，可以獨立地設(shè)計柵極的下部、中部和上部，由此可以把本征電流增益截止頻率、電流崩塌、寄生電容和柵極電阻的因素分別獨立考慮并最優(yōu)化，從而提高器件性能。[第12 方案]根據(jù)上述第11方案的方法，其中，上述上部與上述鈍化層分離。根據(jù)本發(fā)明的第12方案的方法，除了具有上述第11方案的技術(shù)效果，還具有以下優(yōu)點。在該方案中，由于柵極的上部與鈍化層隔離，因此大大降低由柵極上部引入的寄生電容。[第13 方案]根據(jù)上述第11方案或第12方案的方法，其中，上述場板結(jié)構(gòu)由上述下部和上述中部構(gòu)成并靠近上述漏極側(cè)形成。根據(jù)本發(fā)明的第13方案的方法，除了具有上述第11方案和第12方案的技術(shù)效果，還具有以下優(yōu)點。在該方案中，柵極的下部和中部可以形成r型柵結(jié)構(gòu)，S卩r型場板結(jié)構(gòu)。因為靠近源極的場板對于提高器件擊穿電壓和抑制電流崩塌效應(yīng)不顯著，反而會增加器件的寄生電容，所以Γ型場板結(jié)構(gòu)去除了靠近源極的場板，在提高器件的擊穿電壓和抑制器件的電流崩塌效應(yīng)的同時，可以提高器件的頻率響應(yīng)。[第14 方案]根據(jù)上述第11方案至第13方案中任何一個的方法，其中，上述下部靠近上述隔離層的長度小于靠近上述中部的長度。根據(jù)本發(fā)明的第14方案的方法，除了具有上述第11方案至第13方案的技術(shù)效果，還具有以下優(yōu)點。在該方案中，柵極的下部還可以自身形成斜場版，由此可以抑制電流崩塌和提高器件擊穿電壓。[第I5 方案]根據(jù)上述第11方案至第14方案中任何一個的方法，其中，上述上部的長度大于上述中部和上述下部的長度。
根據(jù)本發(fā)明的第15方案的方法，除了具有上述第11方案至第14方案的技術(shù)效果，還具有以下優(yōu)點。在該方案中，由于柵極的上部決定柵極電阻，而柵極中部的長度變化不影響器件的柵極電阻，因此，柵極的上部的長度大于柵極的下部和中部的長度，可以有效降低柵極電阻。[第I6 方案]根據(jù)上述第11方案至第15方案中任何一個的方法，其中，上述柵極包括絕緣柵結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的第16方案的方法，除了具有上述第11方案至第15方案的技術(shù)效果，還具有以下優(yōu)點。在該方案中，由于隔離層很薄，電子容易從柵極金屬隧穿進(jìn)入溝道中， 形成較大的柵極漏電流?；诘?6方案的方法，由于采用絕緣柵結(jié)構(gòu)，絕緣柵在柵極金屬與二維電子氣溝道之間形成勢壘，能夠有效降低電子的隧穿幾率，降低器件的漏電流，提高器件的擊穿電壓。[第17 方案]根據(jù)上述第11方案至第16方案中任何一個的方法，上述形成柵極的步驟包括形成浮柵結(jié)構(gòu)的步驟。根據(jù)本發(fā)明的第17方案的方法，除了具有上述第11方案至第16方案的技術(shù)效果，還具有以下優(yōu)點。在該方案中，在柵極附近還可以形成浮柵結(jié)構(gòu)，可以使柵極附近電場均勻分布，由此降低峰值電場，同樣可以降低電流崩塌效應(yīng)，并提高器件的擊穿電壓。[第18 方案]根據(jù)上述第11方案至第17方案中任何一個的方法，其中，上述柵極還包括在上述上部上的至少一個附加的部分。根據(jù)本發(fā)明的第18方案的方法，除了具有上述第11方案至第17方案的技術(shù)效果，還具有以下優(yōu)點。在該方案中，柵極的上部分為兩個部分，從而形成由下到上逐漸變大的遞進(jìn)式結(jié)構(gòu)，這更有利于降低器件寄生電容和柵極電阻，并避免在柵極的下部過細(xì)的情形下出現(xiàn)塌陷。[第19 方案]根據(jù)上述第11方案至第18方案中任何一個的方法，其中，上述半導(dǎo)體層和上述隔離層包括III族氮化物半導(dǎo)體材料，其中III價原子包括銦、鋁、鎵或其組合。[第20 方案]根據(jù)上述第11方案至第19方案中任何一個的方法，其中，所述鈍化層包括晶體材料和/或非晶體材料。


相信通過以下結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實施方式
的說明，能夠使人們更好地了解本發(fā)明上述的特點、優(yōu)點和目的，其中圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的采用T型柵的半導(dǎo)體器件的器件結(jié)構(gòu)。圖2示出了現(xiàn)有技術(shù)的采用空氣隔離的T型柵的半導(dǎo)體器件的器件結(jié)構(gòu)。圖3示出了現(xiàn)有技術(shù)的采用Γ型柵的半導(dǎo)體器件的器件結(jié)構(gòu)。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的半導(dǎo)體器件的器件結(jié)構(gòu)。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的半導(dǎo)體器件的器件結(jié)構(gòu)。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的半導(dǎo)體器件的器件結(jié)構(gòu)。圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的半導(dǎo)體器件的器件結(jié)構(gòu)。圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的半導(dǎo)體器件的器件結(jié)構(gòu)。圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的半導(dǎo)體器件的器件結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式下面就結(jié)合附圖對本發(fā)明的各個優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)的說明。(實施例1)圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的半導(dǎo)體器件的器件結(jié)構(gòu)。如圖4所示，底層是生長氮化鎵材料的襯底(又稱為基板或基片)11，該襯底11 一般是藍(lán)寶石(Sapphire)、SiC、GaN、Si或者本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的任何其他適合生長III 族氮化物材料的任何襯底或襯底，本發(fā)明對此沒有任何限制。在襯底11上是可選的成核層12，用于在其上生長半導(dǎo)體層13。應(yīng)該理解，也可以不形成成核層12，而直接在襯底11上形成半導(dǎo)體層13。此外，可選地，也可以在成核層12和半導(dǎo)體層13之間形成未圖示的例如GaN或者 AlGaN的緩沖層。在成核層12上是例如GaN或者AKiaN的半導(dǎo)體層13。半導(dǎo)體層13可以是基于氮化物的任何半導(dǎo)體材料，例如III族氮化物半導(dǎo)體材料，其中III價原子包括銦、鋁、鎵或其組合。具體地，半導(dǎo)體層13可以包括氮化鎵(GaN)以及其他鎵類化合物半導(dǎo)體材料，例如MGaN、InGaN等，也可以是鎵類化合物半導(dǎo)體材料與其他半導(dǎo)體材料鍵合的疊層。鎵類半導(dǎo)體材料的極性可以是Ga-極性，也可以是N-極性、非極性或者半極性。在半導(dǎo)體層13上是隔離層14，其是能夠與下面的半導(dǎo)體層13形成異質(zhì)結(jié)的任何半導(dǎo)體材料，包括鎵類化合物半導(dǎo)體材料或III族氮化物半導(dǎo)體材料，例如 In/l^a^-x-y-^O彡χ，y，ζ彡1)。也就是說，本發(fā)明對于半導(dǎo)體層13和隔離層14沒有任何限制，只要二者之間能夠形成異質(zhì)結(jié)即可。由于在半導(dǎo)體層13與隔離層14之間形成半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，在異質(zhì)結(jié)界面上的極化電荷引入了高濃度的二維電子氣ODEG)。同時由于電離雜質(zhì)散射被大大降低，電子具有很高的電子遷移率。在隔離層14上是鈍化層15，其可以是一層或多層。該鈍化層15可以是在生長或工藝過程中沉積的晶體材料，如GaN或AlN等；也可以是在生長或工藝過程中沉積的非晶體材料，例如SixNy或S^2等。該鈍化層15有助于降低氮化鎵HEMT的電流崩塌效應(yīng)。半導(dǎo)體器件的源極16和漏極17與半導(dǎo)體層13中的2DEG形成電連接，即電氣相通。在本實施例中，源極16和漏極17與半導(dǎo)體層13中的2DEG形成電連接的方式可以采用但不局限于以下方式形成a.高溫退火；b.離子注入；c.重?fù)诫s。在進(jìn)行高溫退火的情況下，源極16和漏極17的電極金屬穿過隔離層14與半導(dǎo)體層13接觸，從而與半導(dǎo)體層13 中形成的2DEG電連接。在進(jìn)行離子注入和重?fù)诫s的情況下，源極16和漏極17由與半導(dǎo)體層13中形成的2DEG電連接的離子注入部分或重?fù)诫s部分和其上的電極構(gòu)成。應(yīng)該理解， 這里描述形成源極16和漏極17的方法只是進(jìn)行舉例，本發(fā)明可以通過本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的任何方法形成源極16和漏極17。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的柵極在源極16和漏極17之間的隔離層14上，并具有多段式結(jié)構(gòu)第一段為柵腳(下部)18，柵腳18的長度(即沿溝道方向的尺寸)越小，器件的本征電流增益截止頻率(忽略寄生電容作用)越高，柵腳長度由器件的應(yīng)用頻段決定；第二段為柵身(中部)19，柵身19與柵腳18形成Γ型柵。在這種Γ型柵結(jié)構(gòu)下，靠近源極處沒有場板，因為柵源之間的電場較小，電流崩塌效應(yīng)沒有或者不顯著?？拷O的柵極處有場板，該場板可以降低柵漏間的峰值電場，抑制電流崩塌，提高擊穿電壓。該場板的大小可以根據(jù)不同電壓和頻率的應(yīng)用需求進(jìn)行設(shè)計；第三段為柵帽20(上部)，柵帽20與鈍化層15之間由空氣隔離，空 氣的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鈍化層的介電常數(shù)，因此柵帽引入的寄生電容被大大降低。柵帽的長度大于柵腳和柵身的長度，可以有效地降低柵極電阻。同時采用多段式柵極結(jié)構(gòu)，由柵身支撐柵帽，可以避免柵帽在柵腳過細(xì)的情形下出現(xiàn)塌陷。注意， 在本發(fā)明中，術(shù)語柵角、柵身以及柵帽也分別稱為柵極的下部、中部以及下部?？蛇x地，也可以通過低k介質(zhì)將柵帽20與鈍化層15分離，本發(fā)明對此沒有任何限制，只要能夠?qū)⒍叻蛛x以降低二者之間的寄生電容即可。另外，在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，柵極可以由任何公知的材料構(gòu)成，例如金屬材料。此外，在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，由于柵極采用多段式的結(jié)構(gòu)，因此可以獨立設(shè)計柵腳18，柵身19和柵帽20的結(jié)構(gòu)。柵腳18決定器件的本征電流增益截止頻率；柵身19起到場板的作用，決定器件的擊穿電壓和電流崩塌效應(yīng)，也決定寄生電容的大小。柵帽20決定器件的柵極電阻，影響器件的功率增益截止頻率。多段式的結(jié)構(gòu)可以把本征電流增益截止頻率、電流崩塌、寄生電容和柵極電阻的因素分別獨立考慮，并且針對應(yīng)用要求對各段柵極分步優(yōu)化。具體而言，可以獨立設(shè)計柵身19與柵帽20。在傳統(tǒng)的如圖2所示的Γ型柵中，如果要降低器件的寄生電容，提高頻率響應(yīng)，需要降低場板長度。也就是降低柵帽20的長度。 但縮短場板長度會增加器件的柵極電阻，降低器件的功率增益截止頻率。雖然降低器件寄生電容會提高器件的頻率響應(yīng)，但是增加?xùn)艠O電阻會降低器件的頻率響應(yīng)，從而抵消降低寄生電容帶來的優(yōu)點。在本發(fā)明中，柵身與柵帽獨立設(shè)計。柵帽決定器件的柵極電阻，柵身長度的變化不會影響器件的柵極電阻。對于晶體管來說，柵極的長度越大，器件的柵極電阻越小。柵帽20的長度遠(yuǎn)大于柵腳18和柵身19的長度，因此柵帽的設(shè)計決定了器件的柵極電阻。柵帽和柵身相分離，柵身長度的改變對柵極電阻的變化影響較小。因此設(shè)計柵身長度時僅需考慮器件的擊穿電壓和寄生電容之間的關(guān)系而無需考慮柵身對電阻的影響。此外，實驗證明氮化鎵器件的電流崩塌效應(yīng)隨著工作電壓的增加而更加顯著。氮化鎵電子器件可以應(yīng)用到各種形式的射頻電路系統(tǒng)中。有些系統(tǒng)需要很高的工作頻率(如毫米波段)，較低的工作電壓。這需要較小的柵身長度，以降低寄生電容。同時電流崩塌在低工作電壓環(huán)境下不顯著，較小的柵身長度已經(jīng)可以抑制電流崩塌。有些系統(tǒng)需要較低的頻率(如厘米波段)，很高的工作電壓。這需要較大的柵身長度，以抑制電流崩塌和提高器件擊穿電壓。雖然引入的寄生電容降低了器件的截止頻率，但器件的工作頻率也較低，器件在該工作頻率下依然有足夠大的功率增益。針對器件不同的應(yīng)用條件，通過設(shè)計柵身長度 (也就是Γ型柵的場板長度)，可以平衡器件的擊穿電壓和頻率響應(yīng)。根據(jù)本發(fā)明，為了提高器件的本征電流增益截止頻率，柵腳長度可以設(shè)計得非常小。如果采用傳統(tǒng)的空氣層隔離的τ型柵結(jié)構(gòu)(圖2)，細(xì)的柵腳18無法支撐柵帽20，柵帽 20很容易塌陷。在本發(fā)明中，柵帽20可以被柵身19所支撐。即使為了提高器件的本征電流增益截止頻率而將柵腳18的長度設(shè)計得很小，由于有柵身19的支撐作用，柵帽20也不會塌陷。綜 上所述，基于這種多段式柵極結(jié)構(gòu)的器件，柵身與柵腳形成Γ型柵結(jié)構(gòu)，在靠近漏極處引入了場板。與常規(guī)的空氣隔離的T型柵結(jié)構(gòu)(圖2)相比，可以抑制電流崩塌和提高器件擊穿電壓。同時，這種結(jié)構(gòu)由于采用了柵腳和柵帽分離的技術(shù)，柵身起到場板的作用，柵帽決定柵極電阻。相對于常規(guī)的Γ型柵結(jié)構(gòu)，器件的柵極電阻不會隨著場板的長度變小而增大。此外柵帽20與介質(zhì)鈍化層15被空氣層分離，柵帽引入的寄生電容很小。因此這種多段式柵極結(jié)構(gòu)既結(jié)合了空氣隔離T型柵和Γ型柵各自優(yōu)點，也同時克服了它們各自的缺點。在圖4的結(jié)構(gòu)中，柵腳18和柵身19為Γ型柵的結(jié)構(gòu)。由于靠近源極的場板對于提高器件擊穿電壓和抑制電流崩塌效應(yīng)的效果并不顯著，反而會增加器件的寄生電容。Γ 型柵的結(jié)構(gòu)去除了靠近源極的場板，因此，在提高器件頻率響應(yīng)的同時不會影響器件的擊穿電壓和電流崩塌。具體而言，在圖4的結(jié)構(gòu)中，在靠近源極的柵腳位置18a的位置處，柵身19與柵腳18重合，沒有形成場板結(jié)構(gòu)。因為柵源之間的電場要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于柵漏之間的電場，器件的擊穿不會在該處發(fā)生，同時柵源之間的電流崩塌效應(yīng)也不顯著。在靠近漏極的柵腳位置18b的位置處，柵身19超出柵腳18 —部分，形成場板結(jié)構(gòu)。在柵角位置18b的位置處的場板結(jié)構(gòu)影響器件的擊穿電壓，電流崩塌和寄生電容。如果器件的工作頻率很高，工作電壓較低，該位置處的場板長度可以設(shè)計得較小，以降低寄生電容。如果器件的工作頻率很低，工作電壓較高，該位置處的場板長度需要設(shè)計得較大，以提高器件的擊穿電壓，降低電流崩塌。另外，在圖4的結(jié)構(gòu)中，柵帽20與鈍化層15相分離，中間有空氣隔離。因為空氣的介電常數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鈍化層的介電常數(shù)，因此柵帽20引入的寄生電容很小。因為柵身直接與鈍化層接觸，所以影響寄生電容的主要因素是柵身的設(shè)計。此外，在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，在柵極附近還可以形成浮柵結(jié)構(gòu)，可以使柵極附近電場均勻分布，由此降低峰值電場，同樣可以降低電流崩塌效應(yīng)，并提高器件的擊穿電壓。(實施例2)圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的半導(dǎo)體器件的器件結(jié)構(gòu)。在此省略對實施例2的與實施例1相同的部分的描述，下面著重描述二者的不同之處。如圖5所示，該實施例與上述圖4的實施例1的不同之處僅在于柵腳的形狀設(shè)計為使柵角靠近隔離層的部分的長度小于柵角靠近柵身的部分的長度，例如，柵角為倒梯形。在圖5中，柵腳18斜靠在鈍化層上。該柵腳自身形成了斜場板結(jié)構(gòu)。實驗證明， 斜場板結(jié)構(gòu)與T型場版結(jié)構(gòu)具有同樣的抑制電場作用，而采用斜場板結(jié)構(gòu)引入的寄生電容要明顯小于T型場版結(jié)構(gòu)引入的寄生電容。因此，采用該斜場板結(jié)構(gòu)有利于更好的平衡器件的頻率響應(yīng)和和擊穿電壓的關(guān)系。柵腳18在與隔離層的接觸位置18c處的長度決定了器件的本征電流增益截止頻率。柵腳18的斜邊作為斜場板，因此能夠有效的抑制柵極附近的峰值電場，抑制電流崩塌和提高器件的擊穿電壓。在靠近源極的柵腳位置18a處，柵身19與柵腳18重合，沒有形成場板結(jié)構(gòu)。在靠近漏極的柵腳位置18b處，柵身19超出柵腳18—部分，形成場板結(jié)構(gòu)。該 Γ型柵場板可以進(jìn)一步抑制電流崩塌，提高器件擊穿電壓。柵帽20位于柵身19之上，與鈍化層分離，這有利于降低柵帽20和鈍化層之間的寄生電容。柵帽20的長度遠(yuǎn)大于柵身19 和柵腳18的長度，這有利于降低柵極電阻。(實施例3)圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的半導(dǎo)體器件的器件結(jié)構(gòu)。在此省略對實施例3的與實施例2相同的部分的描述，下面著重描述二者的不同之處。如圖6所示，該實施例與上述圖5的實施例2的不同之處僅在于在柵身與柵腳相連的位置處，柵身長度和柵腳長度一樣，柵身不形成場板結(jié)構(gòu)。也就是，在靠近源極的柵腳位置18a和靠近漏極的柵腳位置18b處，柵身均與柵腳重合，因而沒有形成場板結(jié)構(gòu)。在使用斜場版的情況下，由于在斜場板作用下，電流崩塌已經(jīng)有一定程度的抑制。 因此在高頻低壓的應(yīng)用中，無需引入Γ型柵場版，從而可以進(jìn)一步降低器件的寄生電容。另外，在圖6中，柵帽20位于柵身19之上，與鈍化層分離，這有利于降低柵帽20 和鈍化層之間的寄生電容。柵帽20的長度遠(yuǎn)大于柵身19和柵腳18的長度，這有利于降低柵極電阻。(實施例4)圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的半導(dǎo)體器件的器件結(jié)構(gòu)。在此省略對實施例4的與實施例1相同的部分的描述，下面著重描述二者的不同之處。如圖7所示，該實施例與上述圖4的實施例1的不同之處僅在于柵帽分為兩層，即， 下柵帽20和上柵帽21。這種遞進(jìn)式的結(jié)構(gòu)，更有利于降低器件寄生電容和柵極電阻。同時上柵帽21被下柵帽20和柵身19支撐，更加穩(wěn)定，避免柵帽在柵腳過細(xì)的情形下出現(xiàn)塌陷。本發(fā)明的實施例4的遞進(jìn)式結(jié)構(gòu)同樣可以應(yīng)用于本發(fā)明的實施例2-3的器件結(jié)構(gòu)。(實施例5)圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的半導(dǎo)體器件的器件結(jié)構(gòu)。在此省略對實施例5的與實施例1相同的部分的描述，下面著重描述二者的不同之處。如圖8所示，該實施例與上述圖4的實施例1的不同之處僅在于柵極為絕緣柵結(jié)構(gòu)， 即，柵角與隔離層通過絕緣介質(zhì)層24分離。在本實施例中，絕緣介質(zhì)層24和鈍化層15可以是同一種介質(zhì)層，也可以是不同的介質(zhì)層，本發(fā)明對此沒有任何限制。在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件中，隔離層很薄，電子容易從柵極金屬隧穿進(jìn)入溝道中，形成較大的柵極漏電流。圖8的半導(dǎo)體器件，由于采用絕緣柵結(jié)構(gòu)，絕緣柵在柵極金屬與二維電子氣溝道之間形成勢壘，能夠有效降低電子的隧穿幾率，降低器件的漏電流，提高器件的擊穿電壓。本發(fā)明的實施例5的絕緣柵結(jié)構(gòu)同樣可以應(yīng)用于本發(fā)明的實施例2-4的器件結(jié)構(gòu)。(實施例6)圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的半導(dǎo)體器件的器件結(jié)構(gòu)。
在此省略對實施例6的 與實施例1相同的部分的描述，下面著重描述二者的不同之處。如圖9所示，該實施例與上述圖4的實施例1的不同之處僅在于柵極還包括浮柵22 和23。在本發(fā)明的圖9的器件中，在柵極附近可以形成浮柵結(jié)構(gòu)，這可以使柵極附近電場均勻分布，由此降低峰值電場，同樣可以降低電流崩塌效應(yīng)，并提高器件的擊穿電壓。本發(fā)明的實施例6的浮柵結(jié)構(gòu)同樣可以應(yīng)用于本發(fā)明的實施例2-5的器件結(jié)構(gòu)。(實施例7)本實施例涉及上述實施例1-6的半導(dǎo)體器件的制造方法。在本實施例中，首先利用本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的沉積方法，例如CVD、VPE、 MOCVD, LPCVD, PECVD、脈沖激光沉積(PLD)、原子層外延、MBE、濺射、蒸發(fā)等，在襯底(或基片)上沉積半導(dǎo)體層，該襯底可以是藍(lán)寶石(Sapphire)、SiC、GaN、Si或者本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的任何其他適合生長氮化鎵材料的任何基片或襯底，本發(fā)明對此沒有任何限制。可選地，也可以在沉積半導(dǎo)體之前，在襯底上利用上述沉積方法沉積可選的成核層或緩沖層。沉積的半導(dǎo)體層可以是基于氮化物的任何半導(dǎo)體材料，例如III族氮化物半導(dǎo)體材料，其中III價原子包括銦、鋁、鎵或其組合。具體地，半導(dǎo)體層可以包括鎵類化合物半導(dǎo)體材料或III族氮化物半導(dǎo)體材料，例如InxAlyGazNmz(0彡x，y，z彡1)，也可以是鎵類化合物半導(dǎo)體材料與其他半導(dǎo)體材料鍵合的疊層。鎵類半導(dǎo)體材料的極性可以是Ga-極性， 也可以是N-極性、非極性或者半極性。接著，在半導(dǎo)體層上利用上述沉積方法沉積隔離層，該隔離層可以是能夠與下面的半導(dǎo)體層形成異質(zhì)結(jié)的任何半導(dǎo)體材料，包括鎵類化合物半導(dǎo)體材料或III族氮化物半導(dǎo)體材料，例如InxAlyGazNmz(0彡x，y，ζ彡1)。也就是說，本發(fā)明對于沉積的半導(dǎo)體層和隔離層沒有任何限制，只要二者之間能夠形成異質(zhì)結(jié)即可。由于在半導(dǎo)體層和隔離層之間形成半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，在異質(zhì)結(jié)界面上的極化電荷引入了高濃度的二維電子氣(2DEG)。同時由于電離雜質(zhì)散射被大大降低，電子具有很高的電子遷移率。接著，可選地，在隔離層上利用上述沉積方法沉積鈍化層，該鈍化層可以是一層或多層。該鈍化層可以是在生長或工藝過程中沉積的晶體材料，如GaN或AlN等；也可以是在生長或工藝過程中沉積的非晶體材料，例如SixNy或SiO2等。該鈍化層有助于降低氮化鎵 HEMT的電流崩塌效應(yīng)。接著，利用本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的任何方法，例如高溫退火、離子注入、重?fù)诫s等，形成與半導(dǎo)體層接觸的源極和漏極。接著，在隔離層上、在源極和漏極之間通過上述沉積方法形成多段式柵極。多段式柵極可以通過但不局限于以下方法制造得到(1)在器件表面涂敷抗蝕劑 (例如，電子束抗蝕劑(例如ZEP)或光致抗蝕劑)。通過電子束直寫或光刻曝光的方式對抗蝕劑進(jìn)行蝕刻，完成柵腳掩模的光刻，接著以抗蝕劑為掩模蝕刻鈍化層(在很多設(shè)計中， 隔離層14也被蝕刻一部分)；(2)不去除器件表面的抗蝕劑，再進(jìn)行第二次電子束直寫或光刻曝光，蝕刻抗蝕劑的靠近漏極處的一部分，形成柵身開口。因為器件表面的靠近源極處的抗蝕劑沒有被去除，因此柵身和柵腳的電子束直寫或光刻曝光不需要在柵極的源極處18a 處對齊，就可以形成Γ型柵的結(jié)構(gòu)；(3)不去除器件表面的抗蝕劑，并施加另一抗蝕劑。另一抗蝕劑可以是電子束抗蝕劑，也可以是光致抗蝕劑。該另一抗蝕劑的顯影液不可以腐蝕前抗蝕劑。進(jìn)行第三次電子束直寫或光刻之后，顯影形成柵帽開口，而之前的抗蝕劑不受顯影液影響；(4)蒸發(fā)柵極金屬，去除所有的抗蝕劑。形成最終器件的多段式柵極結(jié)構(gòu)，如圖4 所示。 優(yōu)選地，在本實施例中，也可以在形成柵極的過程中在柵極附近形成浮柵結(jié)構(gòu)，或者使柵極底部與隔離層之間形成介質(zhì)層，以形成絕緣柵結(jié)構(gòu)，在此省略其說明，并且本發(fā)明對于形成這些結(jié)構(gòu)的方法沒有任何限制，可以采用本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的任何方法形成。最后，利用本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的任何方法，例如高溫退火、離子注入、重?fù)诫s等，形成與半導(dǎo)體層電氣相通的源極和漏極。通過使用本實施例的形成半導(dǎo)體器件的方法，可以獲得上述實施例1-6中描述的所有優(yōu)點。應(yīng)該理解，本發(fā)明是從版圖設(shè)計的角度來增加半導(dǎo)體器件的擊穿電壓，因此上述實施例1-7中描述的耗盡型的氮化鎵HEMT只是一個例子，本發(fā)明并不限于此。本發(fā)明既適用于工作在高電壓大電流環(huán)境下的氮化鎵HEMT，也可以適用于其他形式的晶體管，如如金屬氧化層半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，金屬絕緣層半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MISFET)， 雙異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(DHFET)，結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)，金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MESFET)，金屬絕緣層半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(MISHFET)或者其他場效應(yīng)晶體管。并且，這些器件可以是增強型的，也可以是耗盡型的。以上雖然通過一些示例性的實施例對本發(fā)明的半導(dǎo)體器件以及用于制造半導(dǎo)體器件的方法進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但是以上這些實施例并不是窮舉的，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)實現(xiàn)各種變化和修改。因此，本發(fā)明并不限于這些實施例，本發(fā)明的范圍僅以所附權(quán)利要求書為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件，包括 在襯底上的半導(dǎo)體層； 在上述半導(dǎo)體層上的隔離層； 在上述隔離層上的鈍化層；與上述半導(dǎo)體層電氣相通的源極和漏極；以及在上述隔離層上的柵極；其中，上述柵極包括下部、中部和上部，上述下部和/或上述中部構(gòu)成場板結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件，其中，上述上部與上述鈍化層分離。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體器件，其中，上述場板結(jié)構(gòu)由上述下部和上述中部構(gòu)成并靠近上述漏極側(cè)形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任何一項所述的半導(dǎo)體器件，其中，上述下部靠近上述隔離層的長度小于靠近上述中部的長度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任何一項所述的半導(dǎo)體器件，其中，上述上部的長度大于上述中部和上述下部的長度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任何一項所述的半導(dǎo)體器件，其中，上述柵極包括絕緣柵結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任何一項所述的半導(dǎo)體器件，還包括浮柵結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任何一項所述的半導(dǎo)體器件，其中，上述柵極還包括在上述上部上的至少一個附加的部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任何一項所述的半導(dǎo)體器件，其中，上述半導(dǎo)體層和上述隔離層包括III族氮化物半導(dǎo)體材料，其中III價原子包括銦、鋁、鎵或其組合。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任何一項所述的半導(dǎo)體器件，其中，所述鈍化層包括晶體材料和/或非晶體材料。
11.一種用于制造半導(dǎo)體器件的方法，包括以下步驟 在襯底上形成半導(dǎo)體層；在上述半導(dǎo)體層上形成隔離層； 在上述隔離層上形成鈍化層； 形成與上述半導(dǎo)體層電氣相通的源極和漏極；以及在上述隔離層上形成柵極，其中，上述柵極包括下部、中部和上部，上述下部和/或上述中部構(gòu)成場板結(jié)構(gòu)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，上述上部與上述鈍化層分離。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其中，上述場板結(jié)構(gòu)由上述下部和上述中部構(gòu)成并靠近上述漏極側(cè)形成。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任何一項所述的方法，其中，上述下部靠近上述隔離層的長度小于靠近上述中部的長度。
15.根據(jù)權(quán)利要求11至14中任何一項所述的方法，其中，上述上部的長度大于上述中部和上述下部的長度。
16.根據(jù)權(quán)利要求11至15中任何一項所述的方法，其中，上述柵極包括絕緣柵結(jié)構(gòu)。
17.根據(jù)權(quán)利要求11至15中任何一項所述的方法，上述形成柵極的步驟包括形成浮柵結(jié)構(gòu)的步驟。
18.根據(jù)權(quán)利要求11至15中任何一項所述的方法，其中，上述柵極還包括在上述上部上的至少一個附加的部分。
19.根據(jù)權(quán)利要求11至15中任何一項所述的方法，其中，上述半導(dǎo)體層和上述隔離層包括III族氮化物半導(dǎo)體材料，其中III價原子包括銦、鋁、鎵或其組合。
20.根據(jù)權(quán)利要求11至15中任何一項所述的方法，其中，所述鈍化層包括晶體材料和 /或非晶體材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體器件及其制造方法。根據(jù)本發(fā)明的一個方面的半導(dǎo)體器件，包括在襯底上的半導(dǎo)體層；在上述半導(dǎo)體層上的隔離層；在上述隔離層上的鈍化層；與上述半導(dǎo)體層電氣相通的源極和漏極；以及在上述隔離層上的柵極；其中，上述柵極包括下部、中部和上部，上述下部和/或上述中部構(gòu)成場板結(jié)構(gòu)。
文檔編號H01L29/778GK102315262SQ20101022634
公開日2012年1月11日 申請日期2010年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月6日
發(fā)明者范愛民 申請人:西安能訊微電子有限公司